Главная > Разное > Газожидкостные реакторы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

1. Реакторы барботажные (группа РБ)

Эта группа реакторов, отличающихся прежде всего простотой конструктивного исполнения и, следовательно, высокой эксплуатационной надежностью, получила наиболее широкое распространение в химической, микробиологической и других отраслях промышленности. Используются они как при периодическом, так и при непрерывном процессах обработки жидкостей. Общим признаком для аппаратов этой группы является естественное диспергирование газа при подъеме его пузырей в жидкости. Движение жидкости или газожидкостной смеси в зависимости от конструкции аппарата может быть различным. Этим и обусловлено введение в классификацию различных типов барботажных реакторов.

Реактор барботажный колонный (тип РБК). Аппарат такого типа (рис. 1) выполняется в виде вертикальной колонны 1 с размещенными внизу газораспределителями — барботерами 2. Колонна может быть пустотелой или секционированной горизонтальными перегородками 3, служащими промежуточными газораспределителями

и уменьшающими продольную циркуляцию жидкости. Теплообменными устройствами служат размещенные внутри змеевики или стенки аппарата, заключенные в рубашку.

Сравнительная простота конструкции барботажных колонн позволяет проектировать их на большие объемы, допускает установку антикоррозионной футеровки и гарантирует высокую надежность в эксплуатации. Характерным признаком работы барботажной колонны являете неорганизованная и слабая циркуляция жидкости. Поэтому при анализе гидродинамики такого аппарата обычно считают, что газ барботирует через жидкость, не имеющую направленного движения. Слабая циркуляция не позволяет обрабатывать в барботажной колонне неоднородные жидкости (суспензии, эмульсии), состоящие из фаз с сильно отличающимися плотностями.

Рис. 1. Реактор барботажный колонный (тип РБК)

Пропускная способность колонн по газу лимитируется его приведенной скоростью (отнесенной к площади свободного сечения аппарата), которая обычно не превышает 0,1 м/с. При более высоких скоростях значительно возрастает газосодержание, что при заданном количестве обрабатываемой жидкости приводит к неоправданному увеличению общего объема реактора. Кроме того, при высоких скоростях газа возникают крупномасштабные пульсации, влекущие за собой пульсацию давлений и вибрацию аппарата. Пропускная способность по жидкости (при непрерывном процессе) определяется необходимым временем пребывания ее в колонне.

Возможность получения больших объемов является основной причиной частого использования этих колонн как аппаратов периодического действия. Но крупногабаритные барботажные колонны (больших диаметров) нецелесообразно применять для проведения реакций с большим тепловым эффектом. При конвективном отводе тепла через стенки, заключенные в рубашки, удельная поверхность теплообмена (отнесенная к объему колонн) уменьшается с увеличением объема колонн, не обеспечивая необходимого съема тепла. Кроме того, по сечению такой колонны могут возникать градиенты температур, недопустимые по условиям реакции. Размещение же внутри колонны большого количества дополнительных теплообменных элементов усложняет конструкцию аппарата. Способ отвода тепла за счет испарения части жидкости упрощает конструкцию самой колонны, но требует установки выносных теплообменных устройств. В целом агрегат получается конструктивно сложным, поскольку нарушается один из основных принципов проектирования химических реакторов, требующий размещения

теплообменных устройств там, где выделяется тепло, т. е. непосредственно в реакционном объеме.

С точки зрения математического моделирования (при упрощенном подходе) барботажные колонны, не секционированные горизонтальными перегородками, обычно относят к аппаратам идеального смешения по жидкой фазе и вытеснительного типа по газовой. При секционировании каждая секция рассматривается как аппарат идеального смешения.

Реактор барботажный газлифтный (тип РБГ). Газлифтный реактор (рис. 2) отличается от барботажной колонны тем, что внутри корпуса I установлены одна или несколько барботажных труб 2, в которые с помощью газораспределителя 3 вводится газ. При подаче газа в заполненный жидкостью аппарат в барботажных трубах образуется газожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности однородной жидкости в циркуляционной зоне (на рис. 2 в межтрубном пространстве), вследствие чего в аппарате возникает циркуляция жидкости с восходящим потоком смеси в барботажных трубах. Поскольку барботажная труба работает как газлифт (аналогично затопленному эрлифту), логично назвать его барботажным газлифтным реактором. Конструктивное исполнение газлифтных реакторов может быть различным (см. п. 11), но независимо от конструкции в основу их работы положен принцип циркуляционного контура, состоящего из восходящего газожидкостного потока и нисходящего потока жидкости с небольшим количеством захваченных ею газовых пузырей. Максимальная приведенная скорость газа в барботажных трубах, определяющая нагрузку аппарата по газу, составляет 2 м/с, что в пересчете на свободное сечение кожуха аппарата даст скорость до 1 м/с.

Рис. 2. Реактор барботажный газлифтный (тип РБГ)

Скорость циркулирующей жидкости может достигать 1-2 м/с. Это позволяет обрабатывать в газлифтном реакторе неоднородные жидкие системы с большим различием плотностей сплошной и дисперсной фаз. Интенсивная циркуляция способствует лучшему теплообмену между жидкостью и теплообменными поверхностями, образованными стенками барботажных труб. Возможность размещения в газлифтных аппаратах больших поверхностей теплообмена без нарушения принципа циркуляции делает их наиболее эффективными устройствами для проведения реакций с большим тепловым эффектом.

В отличие от барботажных колонн газлифтные реакторы при тех же габаритах имеют меньший рабочий (реакционный) объем,

если межтрубное пространство используется для подачи в него теплоносителя (см. п. 11). Как и барботэжные колонны, газлифтные реакторы достаточно просты конструктивно и, следовательно, надежны в эксплуатации.

При математическом моделировании отдельную барботажную трубу можно принимать близкой к аппаратам идеального вытеснения как по жидкой, так и по газовой фазам, однако в целом реактор по жидкой фазе следует считать аппаратом идеального смешения. Одним из достоинств газлифтного трубчатого реактора является возможность использования при его исследовании метода элементного моделирования. Поскольку в нем основной реакционный объем сосредоточен в барботажных трубах, результаты исследований кинетики процесса, полученные на модели, имеющей одну барботажную трубу (один элемент), можно распространить на пучок параллельно работающих труб таких же размеров, если в них сохранена гидродинамическая обстановка эксперимента.

Реактор барботажный змеевиковый (тип РБЗ). Наиболее распространенная конструкция змеевикового реактора (рис. 3) представляет собой ряд вертикальных труб 1, последовательно соединенных калачами 3. В нижней части первой трубы установлен смеситель газа и жидкости 2. Последняя труба соединена с сепаратором 4, в котором происходит отделение газа от жидкости.

Рис. 3. Реактор барботажный змеевиковый (тип РБЗ)

В отличие от газлифтного трубчатого реактора в этом аппарате существует как восходящее движение газожидкостной смеси (в нечетных трубах) так и нисходящее (в четных трубах). Устойчивые гидродинамические режимы наблюдаются при приведенных скоростях газа от 0,3 до 10 м/с и жидкости от 0,4 до 2 м/с. Достаточно высокие скорости потоков позволяют обрабатывать в змеевиковом реакторе неоднородные жидкие системы с большой разницей плотностей фаз.

Для поддержания необходимых тепловых условий реакции теплоноситель можно подавать в рубашки, устанавливаемые на каждой трубе, или помещать весь пучок труб в общее термостатическое пространство. Первый вариант позволяет изменять условия теплообмена по длине реактора и целесообразен тогда, когда для разогрева реактора применяется теплоноситель с высоким давлением. Второй вариант дает возможность создать более компактную конструкцию меньшей металлоемкости, но она менее надежна

в эксплуатации, особенно при высоких давлениях в трубном пространстве, вследствие более сложного узла последовательного соединения труб.

Змеевиковый реактор целесообразно применять для проведения химических реакций с малым временем превращения — не более 15—20 мин, в противном случае его длина и сопротивление становятся слишком большими. Особенно перспективно его применение для реакций, протекающих при высоких давлениях, так как при малых диаметрах труб (по сравнению с диаметрами барботажных колонн) толщина их стенок, рассчитанная из условий прочности, будет небольшой, что способствует лучшей передаче тепла через стенку.

С позиции математического моделирования этот реактор близок к аппаратам идеального вытеснения. На него можно распространить и метод элементного моделирования, если результаты исследований получены на модели, состоящей из двух труб с восходящим и нисходящим движением газожидкостной смеси.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление